布亞芳，孫 琳，劉 柳，李 磊

(1. 河北交通職業(yè)技術學院 土木工程系，河北 石家莊 050091； 2. 石家莊市環(huán)路綠化工程有限公司，河北 石家莊 050091)

0 引 言

城市地鐵大多建設在建(構)筑物密集處，隧道的開挖常常會下穿(側穿)房屋、高架橋、管道、涵洞等。盾構下穿(側穿)既有建(構)筑物過程中會對地層產生擾動，施工風險非常大[1-2]，因此需要對其進行受力與變形分析。楊永平等[3]通過數值模擬分析了軟土地區(qū)盾構進接樁基的受力與變形，得到由于建筑物的存在，隧道兩邊的地表沉降曲線呈現不對稱狀態(tài)；邱裕華等[4]通過超大直徑泥水盾構近距離穿越樁基試驗，結合盾構掘進施工參數，探究了減小盾構近距離穿越對樁基影響的措施；彭坤等[5]通過FLAC3D數值模擬盾構下穿橋梁樁基，對兩種不同樁基加固方案條件下地表沉降和橋梁樁基變形進行分析，得出后開挖側的樁身位移比先開挖側大，樁和承臺約束了地表沉降的結論。王炳軍等[6]通過系統(tǒng)的數值試驗來分析盾構法隧道開挖對建筑物樁基變形與承載特性的影響，但沒有結合具體的工程實例；朱逢斌等[7]通過數值模擬與離心機試驗結果的對比分析，驗證了數值模擬研究盾構隧道開挖對臨近樁基影響是可靠的；李樹奇等[8]運用ANSYS數值分析軟件研究了盾構施工對橋梁樁基的影響，但沒有考慮樁頂工作荷載的影響。

隧道施工會引起隧道周圍地層移動，其產生的自由土體位移場使得工作狀態(tài)的結構產生附加彎矩和變形，對既有結構的安全使用產生風險。筆者以西安某地鐵隧道土壓平衡盾構下穿高架橋工程為背景，使用理論分析、數值模擬、現場變形監(jiān)測等方法分析盾構側穿橋墩的受力與變形。

1 工程地質概況

西安地鐵四號線某區(qū)間隧道工程采用土壓平衡盾構施工，此處洞頂土層主要為素填土、黃土狀土、粉細砂，該區(qū)間地下潛水穩(wěn)定水位埋深9.20～10.50 m，地下水高程介于364.12～366.9 m，水位年變幅2～3 m。隧道左右線在239～245環(huán)、240～246環(huán)時分別穿越北三環(huán)南、北高架橋輔道，下穿長度均為8.06 m，盾構區(qū)間隧道洞頂覆土14.26～17.30 m，此處路面和橋面的車流量較大，南輔道高架橋處左線隧道邊線距離橋樁的最小距離為8.49 m，右線隧道邊線距離橋樁的最小距離為4.49 m，北輔道高架橋處左線隧道邊線距離橋樁的最小距離為8.39 m，右線隧道邊線距離橋樁的最小距離為4.96 m。以盾構下穿南輔道為例，剖面見圖1，橋墩直徑1.5 m，此區(qū)間車流量較大，地表沉降控制要求嚴格，右線隧道距離橋墩不足一倍洞涇，盾構側穿高架橋期間容易造成地表沉降過大，橋墩沉降、變形過大甚至出現裂縫，影響上部結構車輛運行。

圖1 盾構下穿北三環(huán)南輔道剖面Fig. 1 Profile of shield passing underneath North Third Ring South auxiliary road

2 下穿過程動態(tài)數值模擬

根據現場的工程概況，對該工程采用MIDAS/GTS NX建立有限元模型分析隧道開挖地表沉降和高架橋橋墩的變形情況，模型建立如圖2、圖3。模型尺寸為120 m×33 m×60 m，共40 186個單元、20 396個節(jié)點；模型圍巖物理力學計算假定服從摩爾-庫倫屈服準則，不考慮地下水的影響，且初始應力場設置為自重應力。為了符合實際的施工，將盾構推進簡化成一個非連續(xù)的推進過程，盾構推進實際上是盾構剛度及荷載的遷移，用改變單元材料類型和參數的方法反映盾構的推進過程，而每一次向前推進的過程中，盾構周圍土體受力狀態(tài)也發(fā)生變化。模擬計算前，先在模型里預設隧道開挖土體、盾殼單元、管片單元及注漿體單元。盾構推進時假設盾構一步一步跳躍式向前推進，每次向前推進一定長度，隧道土體開挖后及時改變相應單元的材料模型和參數來模擬管片拼裝和同步注漿，模型不考慮盾尾空隙的存在，亦不考慮地面和橋墩的行車荷載。邊界條件為：除了上表面，其余面均法向固定。

圖2 盾構下穿風險源模型網格劃分Fig. 2 Mesh partition of risk source model of shield passing underneath

圖3 橋墩與盾構隧道位置關系Fig. 3 Relationship between pier and shield tunnel

該模型的模擬采取兩環(huán)管片的長度為一個循環(huán)，即3 m/循環(huán)，模型受力狀況見圖4，模型的計算參數見表1。

圖4 位置1、2、3示意Fig. 4 Schematic of position 1, 2 and 3

土層厚度/m天然密度/(g·cm-3)粘聚力/kPa內摩擦角/(°)泊松比素填土3.0—10120.31黃土狀土7.01.9520210.28中砂20.01.890320.32粗砂30.01.870300.31管片0.32.50——0.20盾殼0.27.80——0.25注漿0.22.00——0.20橋樁1.52.40——0.20

3 數值模擬分析

3.1 地表沉降分析

對數值計算模型選取3個斷面進行橫向地表沉降的研究，3個斷面的橫向地表沉降曲線見圖5。從圖5可以看出：位置1和位置3較位置2處的沉降較大，橫向地表最大沉降為2.55 mm，位于兩條隧道的中間位置，沉降槽寬度約為80.0 m，遠離隧道位置處的地表有微量隆起；位置2橫向地表最大沉降為2.03 mm，相比位置1和3，沉降值降低了20.39%；由于橋墩的存在，位置2處橋墩內側均有較明顯的地表土體隆起，且右側隆起值大于左側的隆起值；橋墩外側的土體擾動較位置1和3擾動較小，可見盾構施工擠壓周邊土體，由于橋樁的存在，限制了橋樁周圍土體下沉，由于土體相互擠壓的作用，導致橋墩周圍呈現微隆狀態(tài)。

圖5 位置1、2、3橫向地表沉降曲線Fig. 5 Lateral surface subsidence curve of position 1, 2 and 3

3.2 橋墩變形分析

左右側橋墩橫向變形曲線如圖6。從圖6中可以看出：左線隧道貫通時，左側橋墩最大水平位移為2.74 mm，發(fā)生在與盾構隧道平行位置，右側橋墩的最大水平位移為1.52 mm；右線隧道貫通后，左側橋墩最大水平位移為3.04 mm，增加了0.30 mm，右側橋墩最大水平位移變?yōu)?.73 mm，增加了2.21 mm，位于地面以上的橋墩變形量較小?？梢娡瑯訕烁叩臉蚨兆冃?，距離盾構機近距較小的變形量較大，且最大變形量發(fā)生在隧道埋深處附近。

圖6 左右側橋墩橫向變形曲線Fig. 6 Lateral deformation curve of left and right side piers

左右側橋墩縱向變形曲線如圖7。從圖7可看出：橋墩整體均存在縱向沉降，橋墩標高在盾構機頂部到盾構機底部段沉降較大，變化較為明顯，且隨著施工的進行，沉降量逐漸增大，左側橋墩最大沉降為1.08 mm，右側橋墩的最大沉降為1.82 mm。

圖7 左右側橋墩縱向變形曲線Fig. 7 Longitudinal deformation curve of left and right side piers

3.3 橋墩受力分析

隨著盾構的掘進，橋墩會產生一定的內力變化，圖8和圖9是計算模型中橋墩的軸力和彎矩變化曲線，其中軸力以受拉為正，受壓為負，彎矩為正表示橋墩內側受壓外側受拉。

圖8 左右側橋墩軸力變化曲線Fig. 8 Axial force variation curve of left and right side piers

圖9 左右側橋墩彎矩Fig. 9 Bending moment of left and right side piers

從圖8可以看出：左右側橋墩均處于受拉狀態(tài)；盾構機所在位置橋墩所受軸力最大，隨著盾構施工的進行，左右側橋墩的軸力均逐漸增大，最終左側橋墩的最大軸力為175 kN，右側橋墩樁身最大軸力為225 kN，均發(fā)生在與盾構機平行位置；由于盾構機離右側橋墩較近，右側橋墩軸力的增加量明顯高于左側。

從圖9可以看出：左右側橋墩在樁頂部均是負彎矩，橋墩頂部表現為內側受拉，外側受壓；在盾構機所在位置兩側橋墩均為正彎矩，左側橋墩最大正彎矩365 kN·m，右側橋墩最大正彎矩413 kN·m；相同深度右側橋墩的彎矩要大于左側橋墩的彎矩。

4 實時監(jiān)測

本段地表監(jiān)測點的橫向布點沿隧道中心線正上方開始，在依次間距4、5 m的位置對稱布置，每隔10～15 m 布設一個監(jiān)測斷面。已設斷面點孔埋設于原狀土中(深度10 cm)，如圖10。

圖10 地面監(jiān)測布置Fig. 10 Ground monitoring layout

盾構側穿高架橋期間應嚴格控制掘進參數，及時注漿，并增加橋墩即地表的沉降監(jiān)測頻率。側穿高架橋結構期間的沉降控制標準見表2。

表2 側穿高架橋期間沉降控制標準Table 2 Settlement control standard for passing alongside viaduct mm

將位置1與位置3的實際沉降值與數值計算的沉降值進行對比，如圖11。位置1和位置3實際最大沉降分別為2.85、2.14 mm，可見實際沉降值與數值計算得出的沉降值較為吻合，使用上述計算模型可較好的分析盾構側穿高架橋所引起的橋墩變形和受力情況。

圖11 數值計算結果與實際沉降對比曲線Fig. 11 Comparison curves between numerical calculation and actual settlement

橋墩的監(jiān)測點布置如圖12，對6個點的最終沉降做點，如圖13，可見左、右側橋墩的平均沉降分別為2.01、2.73 mm，略大于數值計算結果。

圖12 左右橋墩監(jiān)測點位置Fig. 12 Location of monitoring points of left and right piers

圖13 監(jiān)測點實際沉降Fig. 13 Actual settlement of monitoring points

5 結 論

通過數值模擬、現場監(jiān)測等方法分析盾構側穿高架橋樁所引起的受力與變形，并將數值計算得出的沉降值與實際監(jiān)測值進行對比，可以得到：

1)盾構在砂層環(huán)境下穿既有建(構)筑物時，由于砂性土層的性質使得土壓力的大小對地表沉降的影響較大。

2)橋墩外側的土體沉降較小，且橋墩周圍的土體沉降相比其他地方小的多，可以看出是橋墩對地表沉降有一定的約束作用。因此盾構機在穿越既有建(構)筑物中，為保證安全，可以在合適的地方布置樁基，能有效減小既有結構的沉降。

3)盾構機在下穿既有結構過程中，應做好加固措施，避免長時間的停機，減少盾構的方向糾偏，嚴格控制好掘進參數，及時做好二次補漿、加密監(jiān)測點的布置。